Microfluidic devices for bioprocess control in microtiter plates

• Mikrofluidische Systeme für die Regelung biotechnologischer Prozesse in Mikrotiterplatten

Buchenauer, Andreas; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Biotechnologische Prozesse sind eine Schlüsseltechnologie in der Synthese hochwertiger Chemikalien und Pharmazeutika. Die Effizienz der Produktionsprozesse wird während der Entwicklungsphase durch die Auswahl der Biokatalysatoren, entweder Enzyme oder Mikroorganismen, bestimmt. Allerdings ist die Entwicklung biotechnologischer Prozesse häufig zeitaufwändig. Der Grund dafür ist die Notwendigkeit, zuerst einen geeigneten Biokatalysator zu identifizieren und danach günstige Prozessparameter zu finden. Da hierfür bis zu mehrere tausend Einzelexperimente erforderlich sein können, setzen sich zunehmend Mikrotiterplatten (MTP) auf Grund des hohen erzielbaren Durchsatzes als Plattform für Kultivierungsversuche durch. Inzwischen sind auch für MTPs nicht-invasive Messverfahren für die wesentlichen Prozeßparameter verfügbar. Allerdings ist es nach wie vor nicht möglich, Prozesse in MTPs unter Beibehaltung des hohen Durchsatzes zu beeinflussen. Daher werden automatisierte Fermentationssysteme mit Reaktionsvolumina unter einem Milliliter mit integrierter Prozessüberwachung und individueller Fluidzufuhr als ein vielversprechender Ansatz angesehen, diese Beschränkung in der Prozessentwicklung zu überwinden. In dieser Arbeit wurden MTP-basierte Mikroreaktoren entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Diese Systeme sind für den Einsatz in etablierten, optischen Messsystemen ausgelegt. Darüber hinaus können Elektroden für elektrische Vierpunktmessungen integriert werden. Die Dosierung von pH-Stellmedien und Nährlösungen erfolgt mit integrierten mikrofluidischen Systemen. Diese wurden entweder mit softlithographischen Verfahren aus Polydimethylsiloxan (PDMS) oder mit photolithographischen Verfahren aus dem Negativlack SU 8 hergestellt. Die Dosiereigenschaften wurden in numerischen Simulationen analysiert und mit fluoreszenzbasierten Messverfahren charakterisiert. Die Mikroreaktoren verfügen über eine Schnittstelle zu externen Aktuations- und Messsystemen, um bis zu 24 Kultivierungskammern in einem Reaktor integrieren zu können. Die mikrofluidischen Systeme sind in der Lage, wässrige pH-Stellmittel in Volumina von 5 nl bis 183 nl mit Ventilöffnungszeiten von 18 ms bis 100 ms zu dosieren. Integrierte Mikropumpen dienen der Dosierung von zähflüssigen Nährmedien in Einheiten von ca. 150 nl mit einer Standardabweichung von weniger als 5%. Eine vergleichbar reproduzierbare Dosierung wurde während des Pumpens von Glycerinlösungen mit dynamischen Viskositäten von bis zu 109 mPa s nachgewiesen. Darüber hinaus wurden die Mikroreaktoren in pH-geregelten Fermentationen von E. coli in TB Medium eingesetzt. Durch das Dosieren von Natronlauge und Phosphorsäure konnte der pH-Wert in geregelten Kulturen zwischen 6,85 und 7,03 bei einem Sollwert von 7,0 eingestellt werden. In ungeregelten Referenzkulturen schwankte der pH-Wert zwischen 6,46 und 8,83. Damit wurde die Fähigkeit dieses neuartigen Mikroreaktors zur Regelung von Fermentationen im miniaturisierten Maßstab gezeigt. Die beschriebenen Systeme erlauben erstmalig, pH-geregelte Fed-batch Fermentationen in einem MTP basierten Mikroreaktor mit Hilfe von integrierten mikrofluidischen Systemen durchzuführen. Der Mikroreaktor erreicht einen Parallelisierungsgrad, der mit dem von Standard-MTPs vergleichbar ist. Das beschriebene System stellt somit eine ideale Basis dar, um verschiedene Prozessstrategien in parallelen Fermentationen zu vergleichen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]